玄武巖纖維SMA的溫度穩定性分析

文/廣東能達高等級公路維護有限公司 黃偉 林利聰

為揭示玄武巖纖維對SMA瀝青混合料溫度穩定性的影響，試驗首先確定級配優化后的SMA瀝青混合料最佳纖維用量，設計三種對比試驗：不摻加纖維，摻加木質素纖維，摻加玄武巖纖維，依托小梁彎曲試驗及車轍試驗，評價SMA瀝青混合料的高低溫穩定性。試驗結果顯示：摻加0.15%的纖維可以有效地改善SMA瀝青混合料的高低溫穩定性，其中：摻加0.15%的玄武巖纖維對SMA瀝青混合料的低溫抗裂性能及高溫抗車轍性能提高更顯著。

本文依托2017年湛徐高速公路路面病害處置工程項目，通過兩種不同纖維的SMA-13的瀝青混合料試驗，研究玄武巖纖維對級配優化后的SMA瀝青混合料溫度穩定性的影響程度。

SMA瀝青混合料設計

原材料選擇

依據《瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的性能指標要求，以及廣東地區所在氣候分區的氣候特點與氣候條件對路面的要求，綜合考慮瀝青選擇為SBS改性瀝青：PG76-22。

石料品質是SMA瀝青路面品質的關鍵因素之一。石料選擇品質優良的輝綠巖，其各方面性能指標均滿足規范要求，具體性能指標如表1所示。

表1 輝綠巖性能指標

表2 纖維的技術指標

表3 改進的SMA-13級配

纖維是SMA原材料中重要的組成部分，本文以兩種常用的纖維做對比，試驗中采用的纖維是長度為6mm的短切絲玄武巖礦物纖維和路用木質素纖維。兩種纖維的技術指標如表2所示。

SMA-13級配優化設計

良好的級配是SMA瀝青混合料優良性能的前提，目前SMA混合料多推薦采用骨架密實型級配，一方面要兼顧級配的骨架，另一方面要滿足密實型原理，最大程度發揮粗集料的嵌擠作用，發揮細集料及粘結料的密實作用。文本SMA級配優化設計方面通過間斷2.36mm檔的粗集料，增大4.75mm或9.75mm檔粒料的含量，來實現SMA-13的骨架密實及路用耐久性能，優化設計后SMA-13級配如表3所示。

SMA瀝青混合料配合比試驗

研究采用使用最廣泛的馬歇爾法，對瀝青混合料的兩面各擊實75次，制作成尺寸為Φ（106.5mm±2.0mm）×(63.5mm±1.3mm)的標準馬歇爾試件，最后根據浸泡60℃恒溫水浴后的馬歇爾穩定度來確定SMA-13混合料的初始最佳油石比，試驗數據分析顯示SMA-13瀝青混合料的最佳油石比為5.5%，且其他各具體指標滿足規范要求。

研究采用馬歇爾穩定度的試驗方法，來確定瀝青混合料的最佳纖維量。根據試驗經驗，SMA中纖維的最佳摻量范圍一般為集料重量的0.1%～0.3%。設計不同油石比通過改變纖維摻加量來確定最佳油石比與最佳纖維用量。玄武巖纖維設計用量范圍為：0%～0.5%。通過不同纖維用量下的最佳油石比及穩定度，最終確定添加木質素纖維與玄武巖纖維的SMA-13瀝青混合料的最佳油石比均為5.5%，兩種纖維摻入量均取0.15%。

溫度穩定性試驗與分析

根據實驗確定的最佳油石比及最佳纖維摻加量分別進行SMA-13瀝青混合料的小梁彎曲試驗、車轍試驗，具體試驗結果及分析如下。

低溫穩定性

瀝青混合料的低溫穩定性主要表現為良好的抗裂性能，裂縫破壞是瀝青混合料主要的低溫破壞形式。通過小梁彎曲試驗來評價玄武巖纖維對瀝青混合料低溫穩定性能的改善作用。試驗選取不摻纖維、摻加等量的木質素纖維作為摻加最佳玄武巖纖維（0.15%）的對比試驗。

小梁彎曲試驗是在溫度為-10℃±0.5℃、加載速率為50mm/min的情況下，對切割成的長250mm±2mm、寬30mm±2mm、高35mm±2mm的棱柱體小梁，在跨中央進行加載作用，根據記錄的荷載-撓度曲線計算抗彎拉強度、最大彎拉應變等，最終評價出各纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能。具體試驗數據如表4所示。

由表4可知：相對于不摻加纖維的SMA，摻加0.15%的木質素纖維和玄武巖纖維對瀝青混合料的抗彎拉強度均有所提升，提升約70%～80%，摻加纖維后，SMA瀝青混合料的最大彎拉應變均有所提高，摻加玄武巖纖維的SMA瀝青混合料最大彎拉應變提高約13.03%，摻加木質素纖維的SMA瀝青混合料最大彎拉應變提高約14.76%。可見，摻加纖維后，SMA瀝青混合料的低溫抗裂性能有很大提高，其中摻加玄武巖纖維對SMA瀝青混合料的低溫抗裂性能提高更顯著。這顯示玄武巖纖維能更好、更充分地吸附集料表面包裹著的自由瀝青，增大瀝青油膜的厚度，并在瀝青混合料中形成大量新的“結構瀝青”的界面層，使得SMA瀝青混合料的低溫抗裂性能大大增強。

表5 車轍試驗結果

高溫穩定性

本研究選擇使用最廣泛的高溫車轍試驗，來評價纖維瀝青混合料的高溫穩定性，選取不摻纖維、摻加最佳玄武巖纖維（0.15%）、摻加等量的木質素纖維三組對比試驗，并分別對SMA-13瀝青混合料進行試驗研究，最后根據試驗結果評價玄武巖纖維對瀝青混合料高溫穩定性能的改善作用。車轍試驗數據如表5所示。

由表5可知：相對于不摻加纖維的SMA，摻加0.15%的木質素纖維和玄武巖纖維對瀝青混合料的永久變形量均有所降低，降低約30%～40%，摻加纖維后SMA瀝青混合料的動穩定度均有所提高，摻加玄武巖纖維的SMA瀝青混合料動穩定度提高約15.3%，摻加木質素纖維的SMA瀝青混合料最大彎拉應變提高約14.5%?？梢?，摻加纖維后，SMA瀝青混合料的高溫抗車轍性能有所提高，其中摻加玄武巖纖維對SMA瀝青混合料的高溫抗車轍性能提高更大。同理，筆者認為玄武巖纖維能更好地吸附集料表面包裹著的自由瀝青，增大瀝青油膜的厚度，能夠在瀝青混合料中形成大量新的“結構瀝青”的界面層，使SMA瀝青混合料的高溫抗車轍性能有所增強。